Projeto e Caracterização de Amplificadores de Baixo Ruído

em 2,4 GHz.

Paulo Márcio Moreirap.marcio.moreira@gmail.com

Centro Tecnológico (CTC)

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Grupo de Pesquisas em RF

Objetivo do Trabalho

Caracterizaros dispositivos

Desenvolver IPs de RF

Enviar os circuitos para fabricação

Motivação

2013: 1,2 bilhões de celulares (com valor 20 bilhoẽs de dólares)1.

SAMSUNG S5230 Star2G Network: GSM 850 / 900 / 1800 / 1900Status: Released 2009, MayDimensions: 104 x 53 x 11.9 mmWeight: 93.5 gSensitivity* : -110 dBm*Source: A Quad-Band GSM/GPRS/EDGE SoC in 65 nm CMOS. IEEE Journal ofSolid-State Circuits, abr. 2011

CAGR 18 % 58 %(2006-2014)

1 – Dados do 2º quadrimestre de 2010

Amplificadores de baixo ruído (LNA)

Principais características

Ganho

Figura de ruído

Frequência de operação

Adaptação de impedâncias

Isolação

Linearidade

Agenda:

1- Revisão:-Parâmetros S-Ganhos de Potência-Figura de ruído

2- Medida da figura de ruído e extração de parâmetros de um transistor.3- Projeto de amplificadores de baixo ruído(baixa tensão, baixo consumo e outro voltado para aplicação ZigBee).

11-Representação por Quadripolos

Os parâmetros S são definidos como:

Para obter S11

ou S21

:

Com:

Parâmetros S:

21-Ganhos de Potência

Ganho de Potência:

Ganho de Potência de Transdução:

Ganho de Potência Disponível:

Ganho de Inserção:

ΓS*=Γ

inΓ

L*=Γ

out

31-Figura de ruído

Equação de Friis para figura de ruídode componentes em cascata:

42-Método do Fator Y

com

Esquemático simplificado da fonte de ruído Etapa de calibração

Configuração para medidada figura de ruído do DUT

Se a detecção é linear:

52-Medida da Figura de Ruído de

um Transistor

Resposta DC do transistor Parâmetros S para VGS

=-0,5 V e VDS

=5 V

Transistor MESFETde GaAs em teste

62-Medida da Figura de Ruído de

um Transistor

Espectro de saída Ganho disponível e de inserção

Configuração para extrair a figura de ruídodo transistor

72-Medida da Figura de Ruído de

um Transistor

A figura de ruído medida do transistor contém erros de medição devido aos fatores externos e

à incerteza dos equipamentos

Supondo uma correlação de en e i

n e a

partir do mínimo da última equação com relação à Y

f tem-se que:

82-Extração dos parâmetros de ruído

Pontos medidos de Γ

S em 2,42 GHz

Para variar Yf e usar monta-se o seguinte:

9

Se Zf =50 Ω,

NF=4,3 dBem 2,42 GHz

Comportamento da figura de ruído do transistor versus a impedância de fonte

2-Extração dos parâmetros de ruído

valor

Parte imaginária Parte real

10

Circuito receptor simplificado

3-Amplificadores de Baixo ruído

3-Núcleos de LNAs 11

Fonte comum Porta comum

LNAs de baixo consumo:– LNA de baixa tensão – LNA com reuso de corrente

Projetos de LNAs

LNA com ganho variável

3-LNA de Baixa Tensão 12

Esquemático do LNA de baixa tensão

Especificações do LNA

3-LNA de Baixa Tensão 13

3-LNA de Baixa Tensão 14

Simulação da frequência de transição do transistor nMOS

Onde if é o nível de inversão direto e f

T a frequência de transição do

transistor

3-LNA de Baixa Tensão 15

Parâmetros S do LNA de baixa tensão

2 dB

3-LNA de Baixa Tensão 16

Figura de ruído do LNA Teste de linearidade em 2,4 GHz

0,3 dB

-5 dBm

3-LNA de Baixa Tensão 17

[1] GRADZKI, J.; BOREJKO, T.; PLESKACZ,W. A. Low voltage LNA implementations in 90 nm CMOS technology for multistandard GNSS. In: 2009 12th International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems. [S.l.]: IEEE, 2009. p. 78–83.[2] KARGARAN, E. et al. An ultra low voltage ultra high gain CMOS LNA using forward body biasing technique. In: 2011 IEEE 54th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). [S.l.]: IEEE, 2011. p. 1–4. [3] WANG, T.-P. A Low-Voltage Low-Power K-Band CMOS LNA Using DC-Current-Path Split Technology. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, v. 20, n. 9, p. 519–521, set. 2010.

183-LNA de Baixa Tensão

Caracterização:

910 μm x 674 µm

LNA com reuso de corrente

3-LNA com reuso de corrente 19

Configuração do LNA com reuso de corrente

3-LNA com reuso de corrente 19

Configuração do LNA com reuso de corrente

Especificações do LNA de baixo consumo

3-LNA com reuso de corrente 20

3-LNA com reuso de corrente 21

Valores obtidos dos elementos

2,5 dB

3-LNA com reuso de corrente 22

Resposta de S21

simulada Figura de ruído simulada

3-LNA com reuso de corrente 23

[4] JEONG, C. J. et al. A 1.5V, 140 uA CMOS ultra-low power common-gate LNA. In: 2011IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. [S.l.]: IEEE, 2011. p. 1–4.[5] WEI, M.-D.; CHANG, S.-F.; LIU, Y.-C. A Low-Power Ultra-Compact CMOS LNA with Shunt-Resonating Current-Reused Topology. In: 2008 European Microwave Integrated Circuit Conference. [S.l.]: IEEE, 2008. p. 350–353.[6] LI, C.-M. et al. A Low-Power Self-Forward-Body-Bias CMOS LNA for 3 - 6.5 GHz UWB Receivers. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, v. 20, n. 2, p. 100–102, fev. 2010. ISSN 1531-1309.

3-LNA com reuso de corrente 24

Caracterização:

1175 μm x 808 µm

LNA fonte e porta comunspara ZigBee

3-LNA fonte e porta comuns 25

Receptor proposto

263-LNA fonte e porta comuns

Esquemático simplificado

273-LNA fonte e porta comuns

Valores obtidos dos elementos

283-LNA fonte e porta comuns

Ganho de tensão e figura de ruído para os modos de alto ganho (AG) e baixo ganho (BG)

3-LNA fonte e porta comuns

[7] BLAAKMEER, S. C. et al.Wideband Balun-LNA With Simultaneous Output Balancing, Noise-Canceling and Distortion-Canceling. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 43, n. 6, p. 1341–1350, jun. 2008.[8] FAN, X.; ZHANG, H.; SANCHEZ-SINENCIO, E. A Noise Reduction and Linearity Improvement Technique for a Differential Cascode LNA. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 43, n. 3, p. 588–599, mar. 2008.[9] PARK, B.; JUNG, J. A High Dynamic Range Wide-band Switched Gain Controlled LNA in 0.18 um CMOS. In: Microwave Conference Proceedings (APMC). Yokohama: [s.n.], 2010. p. 366–369.

29

Conclusão 30

• A extração dos parâmetros de ruído do transistor mostrou-se didática. A partir desse momento o projeto dos amplificadores tornou-se mais fácil. Econsequentemente, os LNAs projetados são mais competitivos.

•Durante o curso são desenvolvidos IPs de RF, três circuitos são enviados para fabricação e dois deles estão praticamente caracterizados.